New precipitated calcium carbonate derived structures for application in papermaking

Abstract

A partir de estratégias de dissolução da matriz fibrosa presente no papel de impressão e escrita, recorrendo a tampão citrato, com o objetivo de separar o material inorgânico, resultaram estruturas lamelares interessantes do ponto de vista papeleiro. Este estudo realizado num trabalho anterior, levou a um outro estudo complementar: foi adicionado tampão citrato ao PCC (Carbonato de Cálcio Precipitado) escalenoedro industrial, provando assim a origem destas estruturas.A presente dissertação tem como objetivo o estudo e otimização da reação que ocorre entre o tampão citrato e as partículas minerais. Pretende-se também entender que variáveis influenciam a modificação do PCC. Posteriormente, a aplicação destas partículas como pigmento de revestimento do papel e filler é avaliada pelas propriedades obtidas.Num estudo preliminar foi estudada a influência do pH do tampão citrato e a razão entre ácido cítrico e partículas de carbonato de cálcio (CIT/PCC) à temperatura de 50 ºC. Desta investigação resultaram dois novos protocolos com o objetivo de ter um melhor controlo da razão CIT/PCC. Foi também realizada uma experiência usando GCC como material de partida. Desta abordagem conclui-se que as partículas lamelares se formam favoravelmente quando a suspensão se encontra a pH 5,5. A razão CIT/PCC pode ser controlada pelos diferentes protolocos criados onde uma solução de ácido cítrico (1M) é adicionada à suspensão de PCC, ou quando duas soluções distintas de CIT (1M) e NaOH (1M) são adicionadas separadamente até que o pH ótimo seja atingido. Da modificação das partículas de GCC resultaram partículas com morfologias semelhantes a uma moeda.Da análise térmica destas partículas (calcinação e TGA até 900 ºC) conclui-se que as amostras têm como maior constituinte citrato de cálcio, cerca de 30% de CaCO3 e 10% de compostos que não foi possível identificar. A análise à energia de carga superficial revelou que as partículas modificadas são eletricamente negativas.As partículas foram aplicadas como pigmento de revestimento. Dos revestimentos onde foram usadas partículas modificadas com tampão citrato, obtiveram-se valores de densidade ótica elevados, resultando por consequência em valores de área gamut superiores aos obtidos no papel base usado. Este facto revela resultados promissores na aplicação destas partículas para o aumento da qualidade de impressão. As partículas modificadas apenas com solução de CIT e as resultantes da modificação de GCC não apresentaram resultados tão bons como os anteriores.A aplicação destas partículas na matriz do papel não foi bem sucedida uma vez que resultou na formação de folhas com pouca percentagem de filler. Por esta razão, não podem ser tiradas conclusões acerca da influência que estas partículas podem ter nas propriedades do papel. Posteriormente, será necessário fazer-se estudos relacionados com o agente de retenção usado e sobre a possível tendência das partículas para flocular.

In a previous work a strategy with citrate buffer used to deconstruct the paper matrix of commercial printing and writing paper with the objective to isolate its mineral loading resulted in the discovery of lamellar particles, interesting from a papermaking point of view. This led to a complementary study, where industrial scalenohedral PCC (Precipitated Calcium Carbonate) particles contacted with the citrate buffer, confirming that in fact the origin of the lamellar structures is related to it.This dissertation aims to study and optimize the conditions of the reaction between the citrate buffer and the mineral particles. To understand which variables influence this PCC modification and later apply these particles as coating pigment and paper filler to evaluate the resultant properties, are also objectives of the work.A preliminary research was made where the influence of the pH buffer and CIT (Citric Acid)/PCC ratio was studied, at 50ºC. From this experimental investigation resulted two new protocols to have a better control of CIT/PCC ratio. Also, an experiment using GCC as starting material was made. From this approach, it was concluded that the lamellar particles are favourable to form in a suspension with pH 5.5. The CIT/PCC can be controlled by the different protocols, where a solution of CIT (1M) is added to the PCC suspension or two distinct solutions of CIT (1M) and NaOH (1M) are added separately until the optimum pH is reached. The modification of GCC particles did not present lamellar morphology, but a platy/rounded one.These particles were subjected to thermal analysis (calcination and TGA up to 900 ºC) revealing that calcium citrate is its major component, ca. 30% is CaCO3 and 10% are unidentified compounds. The size of the particles was measured by the LDS technique, revealing that the modified particles are smaller than the starting material, having an average size of 3.30 – 3.50 µm. The modified particles obtained from GCC present higher size than its original one. Relatively to the particles surface charge, it was found the new structures are highly negative.The modified particles were applied as paper pigment coating. The coatings with the pigments produced with citrate buffer exhibited higher optical density and higher gamut area values when compared with the paper base, revealing promising results of these particles in increasing paper printing quality. Contrarily, the PCC particles modified only with a CIT solution and all GCC modified particles, did not present results as good as the previous.From the application of these particles into the paper matrix resulted sheets with lower filler content. For this reason, conclusions about the influence of these fillers in the paper properties are not possible. Further studies are needed related with the retention agent, and the possible tendency of the particles to flocculate.